3D打印技術(shù)及其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

唐 標(biāo) 中國水利水電第八工程局有限公司

1 前言

近年來，3D打印技術(shù)憑借其快速、綠色、環(huán)保、節(jié)能、節(jié)材、節(jié)約勞動力、高精度及自由度大等優(yōu)點，受到制造業(yè)和工程行業(yè)高度重視。3D打印技術(shù)可根據(jù)設(shè)定的程序命令直接打印出實體建筑物或建筑構(gòu)件，具有建造速度快、無需模板支撐、可個性化定制、降低材料損耗和建造成本的特點，給建筑和土木工程領(lǐng)域注入了新活力，成為該領(lǐng)域研究熱點之一。

2 3D打印技術(shù)發(fā)展背景

目前，我國建筑業(yè)主要采用現(xiàn)場施工方式，即搭設(shè)腳手架、支設(shè)模板、綁扎鋼筋和混凝土澆筑等，大部分工作是在施工現(xiàn)場由人工來完成，勞動強度大、建筑材料消耗量大、現(xiàn)場產(chǎn)生的建筑垃圾較多，同時對周圍環(huán)境有較大的影響，如揚塵、噪聲等，且勞動力成本不斷上漲，施工成本日益增加，因此建筑施工機械化、自動化成為趨勢。

3D打印建筑技術(shù)是近年來興起的一項新型智能化建造技術(shù)，其是將打印構(gòu)件或建筑物模型利用切片軟件進行3D、2D模型的分層處理，生成打印路由程序，然后將配置好的新型混凝土材料利用泵送系統(tǒng)輸送到打印頭，按照打印程序，通過控制系統(tǒng)，控制執(zhí)行機構(gòu)帶動打印頭按照打印路由行走，打印出精確的幾何圖形，通過層層疊加完成混凝土構(gòu)件或建筑物的成型?；炷翗?gòu)件建模打印基本工作流程如圖1所示。

圖1 混凝土構(gòu)件建模打印基本工作流程

建筑3D打印技術(shù)為建筑行業(yè)的發(fā)展與變革帶來了新思路、新格局，在解決困擾傳統(tǒng)建筑施工的環(huán)境污染、資源浪費、人力資源短缺等問題上具有強大的應(yīng)用潛力。3D打印建筑技術(shù)在如今建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型期和“新基建”戰(zhàn)略發(fā)展期，將助力建筑業(yè)“數(shù)字經(jīng)濟”轉(zhuǎn)型和升級。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒發(fā)的《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中講到“積極開展建筑業(yè)3D打印設(shè)備及材料研究；探索3D打印建筑技術(shù)運用于建筑模塊、構(gòu)件生產(chǎn)，開展示范應(yīng)用”，建筑3D打印技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用，具有改變建筑行業(yè)發(fā)展業(yè)態(tài)的潛力。

3 3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

建筑3D打印技術(shù)作為一種新的建造技術(shù)，理論與實踐工作者已開展諸多研究，其主要應(yīng)用優(yōu)點可歸納如下。

（1）推動建筑工業(yè)化：3D打印在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠推動建筑業(yè)變革和創(chuàng)新發(fā)展。建筑3D打印技術(shù)能夠減少建筑垃圾，也能通過工廠進行構(gòu)、部件的批量化生產(chǎn)，在一定程度上推動建筑工業(yè)化的進程。

（2）促進人工智能化：自適應(yīng)自協(xié)調(diào)的群體機器人智能化打印是建筑3D打印技術(shù)研究的方向之一。目前，BIM與3D打印建筑技術(shù)結(jié)合已應(yīng)用于建筑裝飾工程，在三維建模中展現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件與多曲面構(gòu)造設(shè)計方案的效果，并通過3D打印出實體構(gòu)件模型，直觀、快速地表達設(shè)計方案。

（3）實現(xiàn)建筑數(shù)字化：建筑學(xué)科的發(fā)展離不開建筑技術(shù)創(chuàng)新，創(chuàng)新需要人才，相關(guān)研究關(guān)注了人才培養(yǎng)，同時建筑3D打印技術(shù)寄托了建筑人士將其作為建筑數(shù)字化發(fā)展的期待。

（4）推動可持續(xù)發(fā)展：建筑3D打印技術(shù)有著節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，體現(xiàn)在能很大程度上利用并減少建筑垃圾、減少施工浪費與節(jié)約建筑材料上。目前隨著科技的發(fā)展與進步，圍繞BIM技術(shù)、3D打印技術(shù)以及裝配式建筑技術(shù)融合創(chuàng)新進行研究，可建筑業(yè)朝著高效、綠色和安全的方向發(fā)展。

4 3D打印技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用案例分析

4.1 工程概況

本項目為某產(chǎn)業(yè)園傳達室，建造方式采用3D混凝土打印。此傳達室主要功能為看門、登記、引導(dǎo)來賓等，設(shè)計場地尺寸為5.4m×8.6m，建筑面積在10m2～15m2左右，建筑高度控制在3m～3.6m內(nèi)。對于建筑造型的設(shè)計，要基于3D混凝土打印的特性，并最終體現(xiàn)出3D混凝土打印較于傳統(tǒng)混凝土建造方式的優(yōu)勢。

4.2 設(shè)計思路

基于3D混凝土打印特性分析和造型生成研究，利用其打印優(yōu)勢，設(shè)計一個自由曲面建筑?？紤]到傳達室本身的設(shè)計要求，把南北兩面的墻體和屋頂設(shè)計為一體化的曲面形體，直接打印拼裝形成建筑主體，東西兩面設(shè)為虛的面，形成虛實結(jié)合的建筑形體。在平面布局上，將出入口設(shè)置在東面，考慮到造型和結(jié)構(gòu)上的需求，保留南面墻體的整體性，把接待窗口布置在西面。

此設(shè)計主要通過曲線放樣成面和曲面切割形體來實現(xiàn)，將設(shè)置好的曲線放樣生成曲面，并偏移得到墻厚200mm的形體，使用與其近似相切的曲面切割形體得到傳達室主體部分，同時將建筑西立面和形體生成中得到的切割面設(shè)置為玻璃面，得到傳達室最終造型形式。

整個建筑形體尺寸約為4500mm×3500mm×3200mm，為配合形體造型，東立面選用曲面玻璃和普通玻璃兩種，其中門的開啟處用普通玻璃，同時，玻璃與墻體交接邊界使用曲線元素來完成整個自由曲面形體的造型設(shè)計。

考慮到本設(shè)計的形式采用了屋頂和墻體一體化，并將其作為承重結(jié)構(gòu)，因此利用ANSYS有限元分析軟件對建筑主體結(jié)構(gòu)進行強度分析。采用solid65實體單元將待分析模型劃分好網(wǎng)格，在模型底部施加固定約束，同時對模型添加垂直向下的重力，求解分析結(jié)果顯示最大應(yīng)力為3.04MPa，遠小于混凝土材料的強度極限，由此可看出該建筑主體結(jié)構(gòu)強度足夠承重，符合要求。

4.3 打印參數(shù)

此傳達室項目選用3D混凝土打印為建造方式，由于合作單位的打印機可打印物品最大尺寸為2900mm×2900mm×1500mm和2800mm×2200mm×1800mm兩種，因此，需要將建筑主體切分成模塊進行打印。基于可打印尺寸的限制，將打印主體分割為平均尺寸為2000mm×200mm×1500mm的12個模塊，并將其按位置進行編號。

基于3D打印要求，構(gòu)件能打印最基本的條件是要至少保證有一個平面來作為打印時的基底面，所以將拆分的打印模塊翻轉(zhuǎn)方向來進行打印。而對構(gòu)件打印可行性有影響的主要為構(gòu)件的單層最大偏移量等因素，因此，對每一個打印模塊的單層最大偏移量利用Grasshopper和Rhino平臺進行計算，并結(jié)合打印試驗結(jié)果對其進行預(yù)判斷，預(yù)估其能否成功打印。每個模塊的計算結(jié)果顯示，單層最大偏移量一般在2mm左右，偏移最大也小于3.5mm，而在3D混凝土打印試驗的結(jié)果表明，構(gòu)件可偏移量在4.5mm左右，因此所有模塊都是在可打印范圍內(nèi)的。

4.4 施工建造

項目建造時，主要步驟如下：設(shè)計圖紙→結(jié)構(gòu)體打印配橫向筋→構(gòu)造柱置筋→現(xiàn)場構(gòu)件裝配→完成主體裝配→現(xiàn)澆構(gòu)造柱→做屋頂防水→裝門窗交付。

項目主要涉及節(jié)點構(gòu)造位置有打印構(gòu)件間的連接、墻體與地板的連接和門窗與墻體的連接三種。兩個構(gòu)件連接時，在豎向連接時主要用砂漿拼接在一起，而在橫向連接時，構(gòu)件打印時在端部流出凹槽，通過在凹槽處現(xiàn)澆混凝土利用類似榫卯的節(jié)點連接在一起，并在構(gòu)件間添加橫向鋼筋提高其強度。對于墻體與地板的連接，其原理類似于構(gòu)件間的節(jié)點，采用預(yù)留空間和鋼筋的方式通過現(xiàn)澆混凝土連接。在門窗與墻體連接時，打印時預(yù)留出門窗孔洞，然后通過螺栓、自攻釘?shù)葘㈤T窗框與主體結(jié)構(gòu)連接在一起，最后再安裝玻璃。

為了使此項目更具特色，將與傳達室連接的圍墻部分設(shè)計為基于正弦曲面的3D混凝土打印模塊堆砌的參數(shù)化墻體，基本砌塊尺寸為300mm×300mm×300mm，添加隨機變量之后每個砌塊都不一樣，既能體現(xiàn)出3D混凝土打印的個性化建造同時也能呈現(xiàn)出其能打印任何幾何形狀的能力。每個砌塊單獨打印，其最大偏移量在9.1mm左右，雖然偏移量較大，但是由于砌塊本身尺寸很小，上層對下層的即時承重能力要求較小，且不連續(xù)偏移時單層可最大偏移量在10mm左右，因此，這些砌塊還是在可打印的范圍內(nèi)的。砌塊打印完成后，運輸?shù)浆F(xiàn)場通過砂漿對其組裝成整體即可。

5 3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用難點與研究方向

建筑3D打印作為一種新技術(shù)，在材料性能要求、設(shè)備性能與材料匹配性等方面有眾多問題有待解決，如何在保證混凝土材料的流變性和可塑性的前提下，將其快速、均勻的攪拌、泵送、擠出，并打印成型，同時滿足建筑物各方面性能要求，是目前需要解決的主要問題。

5.1 應(yīng)用難點

建筑3D打印技術(shù)的應(yīng)用難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）目前水泥砂漿是建筑3D打印的主流選擇，具有顆粒度大、流動性差等特點，對其進行在線測量流量、流速、自動控制調(diào)節(jié)閥門等精細化控制較難實施。

（2）建筑3D打印材料易凝固堵料，導(dǎo)致供料系統(tǒng)易故障，長時間連續(xù)供料較難。

（3）現(xiàn)有建筑3D設(shè)備自動化、智能化程度較低，目前打印過程中人工輔助工作量仍需進一步減少，降低人力、物力的耗費。

（4）現(xiàn)有設(shè)備使用限制性較大，設(shè)備尺寸限制打印構(gòu)件尺寸、打印對象限制設(shè)備形式、打印材料限制設(shè)備選型等。

（5）現(xiàn)有打印材料的泵送裝置、擠出裝置及打印工藝后期清洗技術(shù)尚未成熟，若未能高效地清洗干凈打印頭噴嘴內(nèi)部而導(dǎo)致部分打印物料殘留淤積，輕則影響后續(xù)打印過程中的成型質(zhì)量，重則直接導(dǎo)致裝置堵塞及損壞。

（6）3D打印建筑尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，導(dǎo)致技術(shù)應(yīng)用推廣受限，多以示范工程為主，尚未作為正式的施工技術(shù)進入建筑市場。

5.2 研究方向

5.2.1 打印材料方面

材料技術(shù)是建筑3D打印最重要的技術(shù)之一。研究材料性能以及某種材料的工藝方法，是建筑3D打印的關(guān)鍵和根本。并且材料學(xué)與3D打印技術(shù)相互促進、相輔相成。一方面，材料性能關(guān)系到建筑質(zhì)量和安全，從材料性能入手研究打印材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)等的力學(xué)性能，能保證建筑物的安全性并形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系；另一方面，對于低成本打印材料的研究，也是材料研究的一個方向。建筑3D打印推廣遇到的問題之一就是成本，研究低成本材料，讓變“廢”為“寶”成為現(xiàn)實，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

5.2.2 打印設(shè)備方面

原位打印是建筑3D打印施工工藝追求的目標(biāo)，因此，支持原位打印的通用設(shè)備原位打印機的研究是未來研究的一個方向。異型建筑，古建筑的修復(fù)，個性化以及美觀等都要求打印設(shè)備的靈活性和便捷性。建筑3D打印機是3D打印機在建筑領(lǐng)域的一個應(yīng)用和延伸，但由于建筑業(yè)本身帶有的行業(yè)特色，對3D打印機的要求比打印其他物件更高。因此，開發(fā)專業(yè)新型的3D建筑打印機以及相應(yīng)的軟件體系，打造滿足不同類型建筑建造需求的設(shè)備體系，就顯得尤為重要。打印建筑需要的材料不僅要有較好的打印性能，如流動性，同時要滿足建筑需要的抗拉、抗彎和抗裂等性能。因此需要研究建筑打印材料，使其多樣化、系統(tǒng)化，更好地滿足實際建筑項目的需要。3D建筑打印機、打印材料與3D打印技術(shù)互相促進、相輔相成。打印設(shè)備、材料的研究是3D打印技術(shù)研究和發(fā)展的關(guān)鍵，同時3D打印技術(shù)的發(fā)展又對打印設(shè)備和材料的研究產(chǎn)生重要影響。

5.2.3 專業(yè)人才培養(yǎng)

3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，雖然受到國家政策的大力支持，但大眾對其安全性的接受和認(rèn)可還有待提高。建筑3D打印涉及到材料、設(shè)備、設(shè)計等眾多參與方，都需要專業(yè)化的人才，加之3D打印建筑技術(shù)還未完全成熟，許多新興領(lǐng)域研究力度不夠，難以獨成體系，例如非金屬材料、物聯(lián)網(wǎng)等，因此需要專業(yè)人才的培養(yǎng)。

6 結(jié)束語

綜上所述，3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用，本質(zhì)是一種數(shù)字化、自動化建造技術(shù)的初步應(yīng)用。由于3D打印技術(shù)仍處于初級探索階段，其對于建筑材料的要求比較高，而且不能對打印過程進行更改，因此，現(xiàn)有3D打印技術(shù)并不能完全應(yīng)用到建筑施工之中。隨著進一步地深入研發(fā)，建筑混凝土3D打印將全面改變建筑施工模式，進一步推動綠色建造、智能建造的步伐。